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1、分类号：T H l 2 2 题 zs2 1 6 0 0 Y 表示1 6 0 0 个脉 冲计数相当于丝杠前进l 栅。一旦这样的放大倍数被定义，用户在编程过程中， 4 3 北京工业大学工学顾十论文 可以很方便地在常用的工程单位下进行编程，而不需要再在编程过程中将长度或 角度单位换算成脉冲数。极大地方便了编程过程。图4 5 为在一个坐标系内的所 有列出的轴脉冲定义。 图4 - 4 脉冲单位输入界面 F i g 4 _ 4P u l s ei n p u ti l l t e r f a c e 4 3 5 常用函数 图4 5 坐标系下轴脉冲定义 F i g 4 - 5D 舒n e do fa ) 【
2、i sc o o r d i n a t e 8 P M A C 与上位机的通讯可以通过多种编程语言来实现，比如V C + + 、V B 、 D E L P H I 、B O L A N D C + + B U I L D E R 等等。P M A C 给设计程序提供了许多动态链 第4 苹机器人运动捧制 接函数，控制系统的开发者在编写程的过程中，只要对函数正确调用就能实现对 电机各种参数的修改以及控制。以下介绍几种常见的函数H 别： ( 1 ) B O O LO p 耐m a c D e v i c e ( D W O R Dd w D e V i c e ) 这个函数为程序使用P M A C
3、 打开一个通道。应用的前提是已经安装好了动 态链接库。在所有程序运行之前，都必须调用这个函数，并且它与 C l o s e P m a c D e 访c e 这个函数成对使用。 ( 2 ) B O O LC l o s e P m a c D e v i c e ( D W o R Dd w D e V i c e ) 该函数用于程序的结尾，在程序结束时关闭与P M A C 的数据通讯。 ( 3 ) B O o LP m a c C o n 6 9 I l r e ( H W N DI l w n dD W O I d w D e V i c e ) 该函数用来设置P M A C 与上位机的通
4、讯方式。通讯方式一般分别总线式和 串口式。当第一次安装P M A C 或者P M A C 跳线地址改变的时候，必须调用该函 数来设置通讯方式以及总线的地址。 ( 4 ) 1 1 1 tP m a c G e t R e s p o n s eA ( D W C R Dd w D e v i c e ，P C H A Rr e s p o n dU 烈T m a 】【c h 甄P C H A Rc o 删= 1 1 a I l d ) 当用户向编程界面输入数据或指令的时候，通过该函数使上位机所获数据与 P M A C 数据进行响应，从而执行用户对P M A C 的命令。 ( 5 ) V o i
5、dP m a c D o w n l o a d F i l e ( D W O R Dd w D e V i c e ，c h a r ：I 伍锄e ) 该函数用于将上位的编写好的程序下载入P M A C 中。 4 4 界面设计 P M A C 为用户提供了非常丰富的指令来完成对电机的制。用户可以在P M A C 软件P E w I N 3 2 P R o 中来完成对P M A C 变量以及参数的修改，还可以将编写好的 P M A C 运动程序读入其中，让电机协调运动。但是，P E w I N 3 2 P R O 并没有提供 一个简洁、人性化的操作界面让用户来方便使用。用户需要记住许多繁杂的
6、 P M A c 指令来对电机进行操作，并且各部分功能分散。本文使用B o L A N Dc + + B u I L D E R 编程软件对各个功能模块化设计，用户只需调出相应的界面就可以对 参数进行简单的操作。这些程序的编写充分利用了P c o m m 3 2 D L L 动态链接库来 完成。 一个完善的界面，需要许多的功能来对机器人进行操作。如对机器人运动参 数的控制：包括速度的改变、运动方向的控制、运动参数修改等等；对系统参数 的设置：包括P M A C 控制卡的I 、P 、M 、Q 等变量的设置；对各种运动状态的 监控：包括限位报警、关节参数、焊接电源参数、焊接过程参数等等；对运动程
7、序的管理：包括运动程序以及P L C 程序。对于一些数据的存储，在课题中采用 了S O Ls e r v e r 数据管理引擎。在C + + B u i l d e r 的环境下，利用P c o m m 3 2 P R O 提 4 5 北京丁业人学工学硕l ：论文 供的函数对一些数据进行操作管理以及监控。 如图4 6 所示为程序设计的控制主界面图。将各种功能放置在相应的模块下， 用户只需要根据焊接条件到相应的模块下进行参数设置，就可以简单的将命令输 入到控制卡中，运动控制卡再将信号发送到电机系统中，使电机运行。如图4 7 所示为工件基本参数的设定，根据基本参数，相贯线方程将通过语言程序计算出
8、来。相应的电机控制方程也会在控制器的运动程序中生成。从而使焊枪可以沿着 被焊工件的相贯线运动。根据焊接的工艺，还可以对焊接的工艺参数进行修改以 满足焊接的需要。如图4 8 所示为运动控制卡的变量设置。这些参数可以设定电 机的工作模式。 ，船t 黜I 槲，m # a 删t 靳档轴面嘲l 仳掣4 * 啊劬曩 ! 矗k ，：。嘉。；，。品姐i ，。j ，硅缸。i 。嚣。 。盅。 磊 | _ 圈一 E 蕾V t 口一一 ，- t t 曩一 t t j ”囊一m 4 t t 口一呐 工柞一疆 # t - r 曩一 囤回圈： 圈曰围 圆圈国； l 回t 鼍量ll ；解野学1lx 停止牟撞i - 。_ _
9、_ _ _ _ _ _ - - - _ - _ 。一_ _ - - - - H - - _ _ _ _ _ _ _ - o L _ - _ _ _ - - _ _ - - _ - - - - - 一 巨圃刳困： 托京I 蝗大学焊接撞术磅究研 图4 6 机器人控制主界面 F i g 4 6T h em a i ni n t e r f a c eo fr o b o tc o n t m l 图4 7 基本参数设定界面 F i g 4 - 7B a s i cp a 】r 锄e t e rs e t t i n gi n t e r f a c e 本章小结 图4 8 系统参数设置界面 F i
10、g 4 - 8S y s t 锄p a r a m e t e rs e t t i n gi n t e r f a c e 选择机器人各个关节的驱动器，搭接控制系统的硬件结构；对P M A C 卡进 行变量设置，使它满足控制的要求；通过C + + B u i l d e r 建立与P C o 倒m 3 2 P R O 的 运态链接库，开发运动控制平台，实现上位机对机器人控制。 4 7 第5 章仿真j 实验 第5 章仿真与实验 本章对课题中设计的焊接机器人进行虚拟仿真实验以及实物焊接实验。通过 仿真实验校验推导运动方程的正确性；通过实验检验所设计机器人的实用性。并 总结焊接机器人的缺点与不足
11、，提出解决方法。 5 - 1运动仿真 随着计算机技术的发展以及生产观念的改进，在制造业在人们越来越多地使 用虚拟技术。简单的说，虚拟技术就是用来代替真实的物理样机的技术H 嗣。虚拟 技术是多个学科领域知识的综合集成与应用，计算机仿真、建模和优化技术是虚 拟制造的核心与关键技术H 7 1 。一方面虚拟设计与制造可以将设计者的思路形象地 展示在眼前，预测产品的性能、受力情况、运动的可行性、检查机构之间是否发 生干涉；另一方面，虚拟设计可以预测产品加工的可能性，发现在设计过程中存 在的问题，减小在制造过程中出现的错误，降低生产成本，缩短机械产品的开发 周期，提高生产的效率。这方面尤其在制造大型设备方
12、面，虚拟技术的优势会起 来非常明显的作用1 。 机械产品的运动分析和仿真已经成为计算机辅助工程中不可缺少的重要环 节，同时也成为机械设计的必经过程。设计者通过计算机技术来模拟真实的机构 运动过程，同时借助系统建模技术和可视化技术来实现机构的仿真H 引。国内出现 的运动分析仿真软件也是多种多样，如P T C 的P r o E n 西n e e r ，S D R C 的I - D E A S ， D E s 的u G 等等。本文采用P r o E n 西n e e r 对设计的机构进行机构的运动仿真。运 动仿真的操作过程如下： ( 1 ) 以连接的方式创建机构。将相对运动的机构通过P r o E
13、n 西n e e r 以运动副 的形式连接，如转动副采用销钉方式作为连接。通过定义这些运动副使机构具备 运动自由度，这是运动仿真过程中非常重要的一步。 ( 2 ) 给运动副添加电机。完成零件装配后，进入“应用程序一机构”下给自 由度添加驱动器。并设置每个电机的运动规律以及方式。 ( 3 ) 设置运动初使位置。给装配后的机构设置初使运动位置，添加快照。 ( 4 ) 设置分析条件并仿真。通过播放功能来观察机构运动过程，检测干涉， 分析运动特性。可以将运动的结果保存。 在虚拟运动中，各个电机也是相互配合，使机构末端的运行轨迹和设计者预 期的一样。这个过程可以在电机设置中调试，不断完善，最终得到满意的
14、结果。 4 9 北京丁业人学T 学硕一 ：论文 5 2 仿真校验 通过虚拟运动，观察机器人运动轨迹，判断是否有干涉以及验证第二章推导 的运动方程的正确性。 5 2 1 虚拟管道参数 根据实际情况，设定虚拟被焊管件的参数，这里采用一般情况，即管道斜交 偏置，来验证之前所推导的公式正确性。管道参数如下所示： 主管直径：2 5 0 I 】m 支管直径：1 6 0 1 1 姗 偏心距：1 相贯角：8 0 。 5 2 2 虚拟驱动器设置 根据第二章所述相贯线特征以及相贯线公式可知，完成焊接需要对五个电机 运动进行设置，使焊枪末端完成相贯线轨迹运动，并且满足焊接的工艺条件。 旋转电机：旋转电机完成整周的旋
15、转，这里设定为匀速运动：6 。s 。当然， 实际焊接中不一定是匀速运动。非匀速运动时，可以在实际的编程中将相贯线分 段，在每段的焊接过程中，进行区间圆周运动速度的设置。 径给电机：将机器人装卡在管道上面后，由于腰部的旋转轴与支管的轴线重 合。因此，在机器人腰部的旋转过程中，直线电机的径给量为O 。因此，径给电 机在理论上，只需要运动到合适位置就可以静止不动。在实际应用中，可能会由 于焊接过程中电弧的长度改变，在安装伺服电机的情况下，会做一个微小的调动。 在虚拟过程中，假设不动。 升降电机：随着机器人腰关节的旋转，升降电机需要上下运动来使机器人末 端焊枪完成相贯线轨迹行走。这是控制焊枪行走相贯线
16、轨迹的关键。根据第二章 推导的相贯线公式可知，该电机的使导轨滑块做上下运动的方程为： & ：撕F j i 五面i 万s i n 万一阳增6 c o s 研 ( 5 1 ) 代入相关参数后，通过p r o e 软件中的图形工具，得到该方程的运动曲线如 图5 一l 所示，该曲线为焊枪行走一周的轨迹线。 工作角摆电机：旋转电机和升降电机控制着机器人末端焊枪完成相贯线的行 走。但是要完成焊接，除了相贯线的轨迹外，还需要满足焊接过程中工艺要求。 5 0 第5 章仿真j 实验 这就需要对手腕机构的工作角和行走角进行调整。工作角摆动电机实现焊接时工 作角的改变。在虚拟运动控制的过程中，假设焊枪位于当前焊接位置点二面角的 角平分面上，根据第二章推导的公式( 2 9 ) ，可以得到工作角摆动电机的运动方 程： 疋= 半 ( 5 2 ) 为初使位置的二面角大小；为t 时刻位置的二面角大小；焊枪在
